go语句及其执行规则

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参考: https://time.geekbang.org/column/article/39841?utm_source=weibo&utm_medium=xuxiaoping&utm_campaign=promotion&utm_content=columns

不要通过共享数据来通讯,恰恰相反,要以通讯的方式共享数据。

Don’t communicate by sharing memory; share memory by communicating.

一个进程至少会包含一个线程。如果一个进程只包含了一个线程,那么它里面的所有代码都只会被串行地执行。每个进程的第一个线程都会随着该进程的启动而被创建,它们可以被称为其所属进程的主线程。

相对应的,如果一个进程中包含了多个线程,那么其中的代码就可以被并发地执行。除了进程的第一个线程之外,其他的线程都是由进程中已存在的线程创建出来的。

也就是说,主线程之外的其他线程都只能由代码显式地创建和销毁。这需要我们在编写程序的时候进行手动控制,操作系统以及进程本身并不会帮我们下达这样的指令,它们只会忠实地执行我们的指令。不过,在 Go 程序当中,Go 语言的运行时(runtime)系统会帮助我们自动地创建和销毁系统级的线程。这里的系统级线程指的就是我们刚刚说过的操作系统提供的线程。

这带来了很多优势,比如,因为它们的创建和销毁并不用通过操作系统去做,所以速度会很快,又比如,由于不用等着操作系统去调度它们的运行,所以往往会很容易控制并且可以很灵活。

不过别担心,Go 语言不但有着独特的并发编程模型,以及用户级线程 goroutine,还拥有强大的用于调度 goroutine、对接系统级线程的调度器。

这个调度器是 Go 语言运行时系统的重要组成部分,它主要负责统筹调配 Go 并发编程模型中的三个主要元素,

即:

G(goroutine 的缩写)

P(processor 的缩写)一种可以承载若干个 G,且能够使这些 G 适时地与 M 进行对接,并得到真正运行的中介

M(machine 的缩写) 系统级线程

从宏观上说,G 和 M 由于 P 的存在可以呈现出多对多的关系。当一个正在与某个 M 对接并运行着的 G,需要因某个事件(比如等待 I/O 或锁的解除)而暂停运行的时候,调度器总会及时地发现,并把这个 G 与那个 M 分离开,以释放计算资源供那些等待运行的 G 使用。

其中的 M 指代的就是系统级线程。而 P 指的是一种可以承载若干个 G,且能够使这些 G 适时地与 M 进行对接,并得到真正运行的中介。

而当一个 G 需要恢复运行的时候,调度器又会尽快地为它寻找空闲的计算资源(包括 M)并安排运行。另外,当 M 不够用时,调度器会帮我们向操作系统申请新的系统级线程,而当某个 M 已无用时,调度器又会负责把它及时地销毁掉。

正因为调度器帮助我们做了很多事,所以我们的 Go 程序才总是能高效地利用操作系统和计算机资源。程序中的所有 goroutine 也都会被充分地调度,其中的代码也都会被并发地运行,即使这样的 goroutine 有数以十万计,也仍然可以如此。

什么是主 goroutine,它与我们启用的其他 goroutine 有什么不同?

与一个进程总会有一个主线程类似,每一个独立的 Go 程序在运行时也总会有一个主 goroutine。这个主 goroutine 会在 Go 程序的运行准备工作完成后被自动地启用,并不需要我们做任何手动的操作。

每条go语句一般都会携带一个函数调用,这个被调用的函数常常被称为go函数。而主 goroutine 的go函数就是那个作为程序入口的main函数。

go函数真正被执行的时间,总会与其所属的go语句被执行的时间不同。当程序执行到一条go语句的时候,Go 语言的运行时系统,会先试图从某个存放空闲的 G 的队列中获取一个 G(也就是 goroutine),它只有在找不到空闲 G 的情况下才会去创建一个新的 G。

这也是为什么我总会说“启用”一个 goroutine,而不说“创建”一个 goroutine 的原因。已存在的 goroutine 总是会被优先复用

然而,创建 G 的成本也是非常低的。创建一个 G 并不会像新建一个进程或者一个系统级线程那样,必须通过操作系统的系统调用来完成,在 Go 语言的运行时系统内部就可以完全做到了,更何况一个 G 仅相当于为需要并发执行代码片段服务的上下文环境而已。

在拿到了一个空闲的 G 之后,Go 语言运行时系统会用这个 G 去包装当前的那个go函数(或者说该函数中的那些代码),然后再把这个 G 追加到某个存放可运行的 G 的队列中

这类队列中的 G 总是会按照先入先出的顺序,很快地由运行时系统内部的调度器安排运行。虽然这会很快,但是由于上面所说的那些准备工作还是不可避免的,所以耗时还是存在的。

go函数的执行时间总是会明显滞后于它所属的go语句的执行时间。当然了,这里所说的“明显滞后”是对于计算机的 CPU 时钟和 Go 程序来说的。我们在大多数时候都不会有明显的感觉。

在说明了原理之后,我们再来看这种原理下的表象。请记住,只要go语句本身执行完毕,Go 程序完全不会等待go函数的执行,它会立刻去执行后边的语句。这就是所谓的异步并发地执行。

这里“后边的语句”指的一般是for语句中的下一个迭代。然而,当最后一个迭代运行的时候,这个“后边的语句”是不存在的。

在 demo38.go 中的那条for语句会以很快的速度执行完毕。当它执行完毕时,那 10 个包装了go函数的 goroutine 往往还没有获得运行的机会。

go函数中的那个对fmt.Println函数的调用是以for语句中的变量i作为参数的。你可以想象一下,如果当for语句执行完毕的时候,这些go函数都还没有执行,那么它们引用的变量i的值将会是什么?

它们都会是10,对吗?那么这道题的答案会是“打印出 10 个10”,是这样吗?

在确定最终的答案之前,你还需要知道一个与主 goroutine 有关的重要特性,即:一旦主 goroutine 中的代码(也就是main函数中的那些代码)执行完毕,当前的 Go 程序就会结束运行。

如果在 Go 程序结束的那一刻,还有 goroutine 未得到运行机会,那么它们就真的没有运行机会了,它们中的代码也就不会被执行了。

当for语句的最后一个迭代运行的时候,其中的那条go语句即是最后一条语句。所以,在执行完这条go语句之后,主 goroutine 中的代码也就执行完了,Go 程序会立即结束运行。那么,如果这样的话,还会有任何内容被打印出来吗?

严谨地讲,Go 语言并不会去保证这些 goroutine 会以怎样的顺序运行。由于主 goroutine 会与我们手动启用的其他 goroutine 一起接受调度,又因为调度器很可能会在 goroutine 中的代码只执行了一部分的时候暂停,以期所有的 goroutine 有更公平的运行机会。

所以哪个 goroutine 先执行完、哪个 goroutine 后执行完往往是不可预知的,除非我们使用了某种 Go 语言提供的方式进行了人为干预。然而,在这段代码中,我们并没有进行任何人为干预。

那答案到底是什么呢?就 demo38.go 中如此简单的代码而言,绝大多数情况都会是“不会有任何内容被打印出来”。

package main

import "fmt"

func main() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            fmt.Println(i)
        }()
    }
}
go run demo38.go //输出为空

怎样才能让主 goroutine 等待其他 goroutine?

一旦主 goroutine 中的代码执行完毕,当前的 Go 程序就会结束运行,无论其他的 goroutine 是否已经在运行了。那么,怎样才能做到等其他的 goroutine 运行完毕之后,再让主 goroutine 结束运行呢?

其实有很多办法可以做到这一点。其中,最简单粗暴的办法就是让主 goroutine“小睡”一会儿。

既然不容易预估时间,那我们就让其他的 goroutine 在运行完毕的时候告诉我们好了。这个思路很好,但怎么做呢?

你是否想到了通道呢?我们先创建一个通道,它的长度应该与我们手动启用的 goroutine 的数量一致。在每个手动启用的 goroutine 即将运行完毕的时候,我们都要向该通道发送一个值。注意,这些发送表达式应该被放在它们的go函数体的最后面。对应的,我们还需要在main函数的最后从通道接收元素值,接收的次数也应该与手动启用的 goroutine 的数量保持一致。关于这些你可以到 demo39.go 文件中,去查看具体的写法。

其中有一个细节你需要注意。我在声明通道sign的时候是以chan struct{}作为其类型的。其中的类型字面量struct{}有些类似于空接口类型interface{},它代表了既不包含任何字段也不拥有任何方法的空结构体类型。

注意,struct{}类型值的表示法只有一个,即:struct{}{}。并且,它占用的内存空间是0字节。确切地说,这个值在整个 Go 程序中永远都只会存在一份。虽然我们可以无数次地使用这个值字面量,但是用到的却都是同一个值。

再说回当下的问题,有没有比使用通道更好的方法?如果你知道标准库中的代码包sync的话,那么可能会想到sync.WaitGroup类型。没错,这是一个更好的答案

package main

import (
    "fmt"
    //"time"
)

func main() {
    num := 10
    sign := make(chan struct{}, num)

    for i := 0; i < num; i++ {
        go func() {
            fmt.Println(i)
            sign <- struct{}{}
        }()
    }

    // 办法1。
    //time.Sleep(time.Millisecond * 500)

    // 办法2。
    for j := 0; j < num; j++ {
        <-sign
    }
}
go run demo39.go 
10
10
10
10
10
10
10
10
6
10

怎样让我们启用的多个 goroutine 按照既定的顺序运行?

go函数中先声明了一个匿名的函数,并把它赋给了变量fn。这个匿名函数做的事情很简单,只是调用fmt.Println函数以打印go函数的参数i的值

在这之后,我调用了一个名叫trigger的函数,并把go函数的参数i和刚刚声明的变量fn作为参数传给了它。注意,for语句声明的局部变量i和go函数的参数i的类型都变了,都由int变为了uint32。至于为什么,我一会儿再说。

再来说trigger函数。该函数接受两个参数,一个是uint32类型的参数i, 另一个是func()类型的参数fn。你应该记得,func()代表的是既无参数声明也无结果声明的函数类型。

trigger函数会不断地获取一个名叫count的变量的值,并判断该值是否与参数i的值相同。如果相同,那么就立即调用fn代表的函数,然后把count变量的值加1,最后显式地退出当前的循环。否则,我们就先让当前的 goroutine“睡眠”一个纳秒再进入下一个迭代

我操作变量count的时候使用的都是原子操作。这是由于trigger函数会被多个 goroutine 并发地调用,所以它用到的非本地变量count,就被多个用户级线程共用了。因此,对它的操作就产生了竞态条件(race condition),破坏了程序的并发安全性。

总是应该对这样的操作加以保护,在sync/atomic包中声明了很多用于原子操作的函数。

由于我选用的原子操作函数对被操作的数值的类型有约束,所以我才对count以及相关的变量和参数的类型进行了统一的变更(由int变为了uint32)。

纵观count变量、trigger函数以及改造后的for语句和go函数,我要做的是,让count变量成为一个信号,它的值总是下一个可以调用打印函数的go函数的序号。

这个序号其实就是启用 goroutine 时,那个当次迭代的序号。也正因为如此,go函数实际的执行顺序才会与go语句的执行顺序完全一致。此外,这里的trigger函数实现了一种自旋(spinning)。除非发现条件已满足,否则它会不断地进行检查。

最后要说的是,因为我依然想让主 goroutine 最后一个运行完毕,所以还需要加一行代码。不过既然有了trigger函数,我就没有再使用通道。

调用trigger函数完全可以达到相同的效果。由于当所有我手动启用的 goroutine 都运行完毕之后,count的值一定会是10,所以我就把10作为了第一个参数值。又由于我并不想打印这个10,所以我把一个什么都不做的函数作为了第二个参数值。

总之,通过上述的改造,我使得异步发起的go函数得到了同步地(或者说按照既定顺序地)执行,你也可以动手自己试一试,感受一下。

package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
    "time"
)

func main() {
    var count uint32
    trigger := func(i uint32, fn func()) {
        for {
            if n := atomic.LoadUint32(&count); n == i {
                fn()
                atomic.AddUint32(&count, 1)
                break
            }
            time.Sleep(time.Nanosecond)
        }
    }
    for i := uint32(0); i < 10; i++ { //我们传给go函数的参数i会先被求值,如此就得到了当次迭代的序号。之后,无论go函数会在什么时候执行,这个参数值都不会变
        go func(i uint32) {
            fn := func() {
                fmt.Println(i)
            }
            trigger(i, fn)
        }(i)
    }
    trigger(10, func() {})
}
go run demo40.go 
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